(57)【要約】【課題】  高効率な波長変換が可能な波長変換レーザ装置を得る。【解決手段】  本発明の波長変換レーザ装置は、入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームを収束させる集光手段と、前記複数の波長変換素子の間に複数の偏光回転素子とを備え、前記偏光回転素子は前記波長変換素子毎に異なる偏光方向の前記入射基本波レーザビームを入射させるとともに、前記波長変換素子は前記偏光方向に対応して光軸を中心として回転して配置されたものである。【選択図】          図６
2007094424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを非線形素子からなる波長変換素子により波長変換して入射基本波レーザビームと波長の異なる波長変換レーザビームを取り出す波長変換レーザ装置において、
前記入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、
前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームを集光する集光手段と、
前記複数の波長変換素子の間に複数の偏光回転素子と、を備え、
前記偏光回転素子は前記波長変換素子毎に異なる偏光方向の前記入射基本波レーザビームを入射させるとともに、前記波長変換素子は前記偏光方向に対応して光軸を中心として回転して配置されたことを特徴とする波長変換レーザ装置。
【請求項２】
いずれかの波長変換素子により得られる波長変換ビームのプロファイルが、他の波長変換素子により得られる波長変換ビームのプロファイルと異なることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
【請求項３】
複数の波長変換素子のそれぞれは位相整合許容角が１方向について狭い波長変換素子であり、それぞれの前記波長変換素子から得られる波長変換ビームのプロファイルは入射基本波レーザビームのプロファイルに対して１方向について狭く、いずれかの前記波長変換素子により得られる前記波長変換ビームのプロファイルが、他の前記波長変換素子により得られる前記波長変換ビームのプロファイルに対して光軸を中心として回転していることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換レーザ装置。
【請求項４】
複数の波長変換素子で波長変換された入射基本波レーザビームの経路を変更する複数のビームスプリッタを備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の波長変換レーザ装置。
【請求項５】
集光手段が反射光学素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換レーザ装置。
【請求項６】
波長変換レーザビームは、波長変換素子毎に取り出されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の波長変換レーザ装置。
【請求項７】
波長変換素子毎に発生した波長変換レーザビームを光ファイバーバンドルまたは結合器を取り付けた光ファイバーに入射させて結合させるように構成したことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の波長変換レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを非線形素子でなる波長変換素子により波長変換して、入射基本波レーザビームと波長の異なる波長変換レーザビームを取り出すための波長変換レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９は例えば特許文献１に示された従来例１による波長変換レーザ装置を示す構成図である。図において、1,1a,1bは入射基本波レーザビームである。3、3aは第１、第２の波長変換素子である。なお、図示していないが入射基本波1,1aに対して波長変換素子3,3aを位相整合させる手段が設けてある。4,4aは波長変換素子3,3aによって波長変換された波長変換レーザビームすなわち高調波のレーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム、5、5aはビームスプリッタ、6,6aは波長変換レーザビーム、13はビーム結合ポーラライザ、14は波長変換レーザビーム折り返しプリズムである。
【０００３】
従来例１による波長変換レーザ装置は上記のように構成され、入射基本波レーザビーム1は、波長変換素子3に位相整合条件を満たす角度で入射すると、波長変換素子3の非線形光学効果によりその一部が波長変換され、高調波の波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4として波長変換素子3の外部に出力される。高調波の波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4はビームスプリッタ5によって残留基本波レーザビーム1aと波長変換レーザビーム6に分離され、残留基本波レーザビーム1aは波長変換素子3aを通過して高調波の波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4aとなる。高調波の波長変換レーザビームと残留基本波レーザビーム4aとの合成ビームはビームスプリッタ5aにより残留基本波レーザビーム1bと波長変換レーザビーム6aに分離し、波長変換レーザビーム6aは波長変換ビーム折り返しプリズム14を通過した後、ビーム結合ポーラライザ13により波長変換レーザビーム6と結合される。
【０００４】
図10は例えば刊行物（非特許文献１）に示された従来例２による波長変換レーザ装置を示す構成図である。図10において、15は入射基本波レーザビーム光源、1は入射基本波レーザビーム、2は入射基本波レーザビームの集光レンズ、3は波長変換素子、4は波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム、5はビームスプリッタ、1aは残留基本波レーザビーム、6は波長変換レーザビームである。
【０００５】
従来例２によるレーザビーム波長変換レーザ装置は上記のように構成され、入射基本波レーザビーム光源15から発生された入射基本波レーザビーム1は集光レンズ2によって集光され、波長変換素子3に入射する。波長変換素子3で波長変換されることによって発生した波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4は、ビームスプリッタ5によって、残留基本波レーザビーム1aと波長変換レーザビーム6に分離された後取り出される。
【０００６】
【特許文献１】特開昭59-128525号公報
【非特許文献１】「レーザ研究」第21巻,第8号,p.61〜69
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記図9のような従来例１による波長変換レーザ装置では、入射基本波レーザビーム1,1aは複数の波長変換素子3,3aに集光されないで入射するため、入射する基本波レーザビーム1,1aの波長変換素子3,3a中のパワー密度が低く、波長変換素子内の基本波入射レーザビームパワー密度が大きいほど波長変換効率が大きくなるので、結果として基本波レーザビームパワーから波長変換レーザビームパワーへの変換効率が低いという問題点があった。
【０００８】
また、上記図10のような従来例２による波長変換レーザ装置では、波長変換素子3を1個だけ用いるため、波長変換効率が低かった。また、上記図10のような構成で高い波長変換効率を得ようとした場合、波長変換素子3中の入射基本波パワー密度が大きいほど波長変換効率が大きくなるので、波長変換素子3中での集光強度を上げる必要が生じ、結果として結晶内部、および端面のダメージや結晶内部の色付きを引き起こす可能性が高くなるという問題点があった。
【０００９】
また、上記のような従来の波長変換レーザ装置では、例えば、波長変換素子3,3aとしてβ-バリウムボレート（β-BBO）を用いて波長532ｎｍの入射基本波レーザビーム1から波長266ｎｍの波長変換レーザビーム6を取り出す場合のように、入射基本波レーザビーム1の光軸に垂直な面内において、狭い位相整合許容角内でのみ波長変換特性を持つ波長変換素子3,3aを用いた場合、入射基本波レーザビーム1の波長変換素子3,3a位置の発散角が大きいと発散角の大きな成分は波長変換されないため、波長変換効率が下がってしまい、さらに、入射基本波レーザビーム1のうち波長変換された位相角方向に欠損が生じるという問題点があった。
【００１０】
さらに、入射基本波レーザビーム1の光軸に垂直な面内において、特定の方向に位相整合許容角の狭い波長変換特性を持つ波長変換素子3を用いて大きな波長変換効率を得るためには、発散角の小さいビーム品質の良い入射基本波レーザビームを光源に用いなければならないという問題点があった。一般に、ビーム品質の良いレーザビームは、ビーム品質の悪いレーザビームより高出力ビームを発生させるのが難しく、透過型光学素子の熱歪の影響を受けやすいという性質を持つため、結果として、高出力波長変換レーザビームを得るのが難しいという問題点があった。また、基本波入射レーザビーム1の波長変換素子3位置およびその近傍でのビーム集光径を小さくすると、波長変換素子3位置およびその近傍での基本波入射レーザビーム1の発散角が大きくなるため、集光径を小さくできないという問題点があった。その結果、入射基本波レーザビーム1のパワー密度を高めることができず、波長変換素子3が波長変換素子位置での基本波入射レーザビーム1のパワー密度が高いほど、高い波長変換効率を持つ場合には、高い波長変換効率を得ることができないという問題点があった。
【００１１】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、入射基本波レーザビームの光軸に垂直な面内において、特定の方向に位相整合許容角の狭い波長変換特性を持つ波長変換素子を用いた場合でも高い変換効率を得ること、および波長変換レーザビームのプロファイルを入射基本波レーザビームプロファイルに対して位相整合許容角が狭いために生じる欠損の少ないものにすることを目的としている。
【００１２】
また、ビーム品質の悪い入射基本波レーザビームを用いた場合や、集光面積を小さくした場合等、波長変換素子位置のビーム拡がり角が大きくなる場合に位相整合許容角が狭いために引き起こされる波長変換効率の低下を小さくすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の波長変換レーザ装置は、入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームを集光する集光手段と、前記複数の波長変換素子の間に複数の偏光回転素子とを備え、前記偏光回転素子は前記波長変換素子毎に異なる偏光方向の前記入射基本波レーザビームを入射させるとともに、前記波長変換素子は前記偏光方向に対応して光軸を中心として回転して配置されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の構成によれば、前記複数の波長変換素子の間に偏光回転素子を備え、偏光回転素子は各波長変換素子毎に異なる偏光方向の基本波レーザビームを入射させるとともに、各波長変換素子は前記偏光方向に対応して光軸を中心として回転して配置されたので、波長変換素子の位相整合許容角に異方性があり、狭い方向の位相整合許容角が入射基本波レーザビームの波長変換素子位置における発散角より小さい場合等でも、複数の波長変換素子への入射基本波レーザビームの偏光方向を変化させ、位相整合許容角の狭い方向を波長変換素子ごとに変化させることができ、結果として、波長変換装置全体の波長変換効率を高めることができるだけでなく、得られた複数の波長変換レーザビームを1本にまとめた場合には、まとめられた波長変換レーザビームのプロファイルが入射基本波レーザビームのプロファイルに対して欠損の少ないものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による波長変換レーザ装置を示す構成図である。図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ等の入射基本波レーザビーム集光素子、3、3a、3bは波長変換素子、4、4a、4bは波長変換素子3,3a,3bで波長変換された波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビームである。なお、図示していないが、入射基本波レーザビーム1,1a,1bに対して各波長変換素子3,3a,3bを位相整合させる手段が設けてある。位相整合させる手段としては、例えば、波長変換素子3,3a,3bを回転させて所定の入射角度とすることにより位相整合を行う装置、波長変換素子3,3a,3bを所定屈折率に対応する温度に保持して位相整合を行う装置、あるいはこれらを組み合わせた装置がある。
【００１６】
入射基本波レーザビーム1は、集光素子2によって集光され波長変換素子3へ入射する。波長変換素子3で一部が波長変換され、波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム4として取り出される。波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームとの合成ビーム4はビームスプリッタ5により波長変換レーザビーム6と入射基本波レーザビーム1aに分離される。入射基本波レーザビーム1aは集光素子2aにより集光され、波長変換素子3aへ入射する。波長変換レーザビーム6aと残留基本波レーザビームの合成ビーム4aが取り出され、ビームスプリッタ5aにより波長変換レーザビーム6aと入射基本波レーザビーム1bに分離される。入射基本波レーザビーム1bは集光素子2bにより集光され、波長変換素子3bに入射する。波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム4bが取り出され、ビームスプリッタ5bにより波長変換レーザビーム6bと基本波レーザビーム1cに分離される。
【００１７】
上記のように構成された波長変換レーザ装置においては、ビーム集光素子2、2a、2bにより、基本波レーザビーム1、1a、1bを集光して波長変換素子3、3a、3bに入射するので、波長変換素子3、3a、3bの内部での基本波レーザビームパワー密度を高くすることができる。波長変換素子のうち、基本波レーザビームパワー密度が高いほど変換効率が高くなる性質を持つものを用いた場合、波長変換効率を高くすることができる。
【００１８】
さらに、複数個の波長変換素子3,3a,3bのそれぞれから発生した波長変換レーザビーム6,6a,6bを別々に取り出すため、一個の波長変換素子で発生した波長変換レーザビームが他の波長変換素子を通過する量を減らすことができ、波長変換素子の色付きやダメージといった劣化を防ぐことができ、結果としてダメージ閾値が上がることにより、より強度の高い基本波入射レーザビームを入射することができ、より高出力の波長変換レーザビームを発生させることができる。また、他の波長変換素子を通過する際の透過ロスによる波長変換レーザビームの減衰を避けることができる。また、後出の実施の形態で詳細に説明するが、残留基本波入射レーザビームのみに対して、偏光方向を回転する等の操作を施して、他の波長変換素子に入射させることができる。
【００１９】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、14、14a、14bは反射集光素子、3、3a、3bは波
長変換素子、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビームである。
【００２０】
このように構成されたものにおいては、基本波レーザビーム1、1a、1bは、反射集光素子14、14a、14bに入射し、集光されて波長変換素子3、3a、3bに入射して波長変換され、ビームスプリッタ5、5a、5bによって波長変換レーザビーム6、6a、6bと基本波レーザビーム1a、1b、1cに分離される。
【００２１】
図２に示すように、集光素子として、図１に示したレンズ等の透過光学素子2,2a,2bではなく、ミラー等の反射光学素子14,14a,14bを用いることにより、透過ロスによる透過光学素子の歪等の問題を避けたり、透過光学系だけを使用した場合に比べ、高いパワーを持つ基本波入射レーザビーム1を波長変換に使用できる。さらに、反射光学素子14,14a,14bの使用により、透過光学素子の透過ロスをなくし、基本波入射パワーの減衰を低減できる。
【００２２】
また、透過光学素子と反射光学素子を組み合わせて用いてもよい。
【００２３】
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３による波長変換レーザ装置を示す構成図である。図において、1、1a、1bは基本波レーザビーム、2,2aは集光素子、3,3a,3b,3cは波長変換素子、4、4aは基本波入射レーザビームと波長変換レーザビーム、5,5aはビームスプリッタ、6,6aは波長変換レーザビームである。
【００２４】
図１、２では、集光素子2,2a,2bまたは14,14a,14bの間に１個ずつ波長変換素子3,3a,3bを配置した場合を示したが、図３に示すように集光素子2,2aの間に２個以上の波長変換素子3,3a,3bを配置してもよいし、波長変換素子の個数は３個に限るものではなく、２個または４個以上用いてもよい。
【００２５】
集光素子2、2a、2bにはパワー密度の増大による波長変換効率の増大と、発散角の増大による位相整合条件の劣化という相反する２つの作用があるため、最大の波長変換効率の得られる最適な焦点距離が存在する。この最適焦点距離は、波長変換素子3,3a,3bの位相整合許容角に依存するので、位相整合許容角に異方性がある場合には集光素子の収束性にも異方性を持たせるとよい。集光素子の収束性に異方性を持たせるには、例えばシリンドリカルレンズと軸対象レンズを組み合わせればよい。
【００２６】
また、例えば、波長変換素子3,3a,3b,3cの位相整合許容角が１方向についてのみ狭いために、波長変換レーザビームのプロファイルが１方向に狭くなり、波長変換レーザビームが使用目的に適さない場合、波長変換ビームに対してシリンドリカルレンズやアナモルフィックプリズムを組み合わせたビーム整形素子を用いて出射ビームを整形してから取り出してもよい。
【００２７】
実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ等の入射基本波レーザビーム集光素子、3、3a、3bは波長変換素子、4、4a、4bは波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビーム、7、7a、7bは光ファイバーバンドルであり、端末に結合器を備えている。
【００２８】
入射基本波レーザビーム1が集光素子2,2a,2bにより、波長変換素子3,3a,3bに繰り返し集光されて入射し、波長変換レーザビーム6,6a,6bとして取り出されるのは実施の形態１と同じであるが、図４においては別々に取り出された波長変換レーザビームを光ファイバーバンドルまたは結合器を取り付けた光ファイバー7、7a、7bに入射させ、結合させている。
【００２９】
複数のビームを１点に集光して加工等に用いる場合等、複数の波長変換レーザビームを１本のビームとして用いたい場合は、図４に示すように、取り出された波長変換レーザビーム6,6a,6bを光ファイバーバンドル7,7a,7b等を用いて結合して取り出してもよい。
【００３０】
実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態５による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1は基本波入射レーザビーム、2、2a,2bはレンズ等の集光素子、3,3a,3bは波長変換素子、8,8a,8bは集光位置を示す線である。
【００３１】
一般には、波長変換や、光学素子の透過ロス等による基本波入射レーザビームの減衰によって、波長変換を繰り返すごとに基本波入射レーザビームパワーが減衰し、波長変換素子位置のレーザビームパワー密度が低下し、そのため、基本波入射レーザビームパワー密度が大きいほど波長変換効率が高くなるような波長変換素子を用いた場合、２回目以降の波長変換になると、1回目の波長変換に比べて波長変換効率が低下する。
【００３２】
図５においては、１段目の波長変換素子3の集光位置8での集光径より、２段目の波長変換素子3aの集光位置8aの方が集光径が小さくなるように集光条件を設定している。さらに、２段目の波長変換素子3aの集光位置8aより、３段目の波長変換素子3bの集光位置8bの方が集光径が小さくなるように集光条件を設定している。
【００３３】
このように、波長変換素子3,3a,3bの通過ごとにその集光位置8,8a,8bのビーム径が小さくなるように集光条件を設定してやることにより、波長変換素子の集光位置8,8a,8bの基本波入射レーザビームパワー密度の低下を小さくすることができ、波長変換効率の低下を小さくできる。
【００３４】
また、その際、集光径を小さくし過ぎると、波長変換素子の集光位置8,8a,8bの基本波入射レーザビームの発散角が大きくなり、波長変換効率が落ちてしまうので、ビームの拡がり角が波長変換素子3,3a,3bの位相整合許容角内に収まるようビーム集光径を設定すれば、さらに高い波長変換効率を得ることができる。
【００３５】
実施の形態６．
図６は本発明の実施の形態６による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ等の集光素子、3、3a、3bは波長変換素子の位相整合許容角が1方向について狭い波長変換特性を持つ波長変換素子、4、4a、4bは波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビーム、9,9a,9bは基本波入射レーザビームの偏光回転素子、10、10a、10bはそれぞれ、波長変換レーザビーム6、6a、6bのプロファイル、11は基本波入射レーザビーム1のプロファイル、12は波長変換レーザビーム6、6a、6bのプロファイル10、10a、10bを重ねて描いたプロファイルであり、波長変換レーザビーム6、6a、6bを1本にまとめた際のプロファイルである。
【００３６】
入射基本波レーザビーム1,1a,1bが、集光素子2、2a、2bによって繰り返し集光され、波長変換素子3、3a、3bに入射するのは、実施の形態１と同じであるが、本実施の形態においては、偏光回転素子9,9a,9bを用いて波長変換素子3,3a,3bへの入射前に基本波の偏光方向を回転するとともに、波長変換素子3、3a、3bについては入射基本波レーザビームの偏光方向に対応して、波長変換素子3,3a,3bを光軸に関して軸対称に回転するようにして、入射してくる基本波レーザビーム1,1a,1bに対して位相整合がとれるよう設定する。
【００３７】
その結果、波長変換素子3から得られた波長変換レーザビームは波長変換素子3の位相整合許容角が1方向について狭いため、基本波入射レーザビームプロファイル11に対して、10のようなビームプロファイルを持つ。それに対し、波長変換素子3aは、波長変換素子3に対して位相整合許容角の方向が回転して配置されているため、波長変換素子3aから得られたレーザビームのプロファイルも10に対して回転し、基本波入射レーザビームプロファイル11に対して、10aのようなプロファイルとなる。同様にして、波長変換素子3bから得られた波長変換レーザビームのプロファイルは10、10aに対して回転し、基本波入射レーザビームプロファイル11に対して、10bのようなプロファイルとなる。したがって、波長変換レーザビーム6、6a、6bを1本にまとめた場合、そのプロファイルは、基本波入射レーザビームプロファイル11に対して12のようなプロファイルとなる。
【００３８】
そのため、入射基本波レーザビームのうち、位相整合許容角の方向に対応し、変換されにくい成分が波長変換素子3、3a、3bでそれぞれ異なり、結果として波長変換レーザ装置全体としての波長変換効率が向上する。
【００３９】
また、波長変換レーザビーム6、6a、6bを1本のビームにまとめた場合、そのプロファイルは12のようになり、欠損の少ないプロファイルとなる。
【００４０】
なお、最初の偏光回転素子9は、波長変換素子3を回転させて位相整合をとり、省略することもできる。
【００４１】
なお、図６では波長変換素子を３個用いた場合について示したが、波長変換素子の個数は３個に限るものではなく、２個でも４個以上でもよい。
【００４２】
また、波長変換効率を最大にするよう、波長変換レーザビームを１本にまとめた場合にそのプロファイルを欠損の少ないものとし、変換効率を増すために、例えば２個用いる場合には90度回転する。４個用いる場合には45度ずつ回転するなど、それぞれの波長変換素子に入射する基本波入射レーザビームの偏光方向回転角度を基本波レーザビームのうち波長変換される部分の重なりが少なくなるよう設定してもよい。
【００４３】
また、図６では集光素子の間に波長変換素子がそれぞれ1個ずつ配置されているが、図３に示したように２個以上としてもよく、その場合に、それぞれの波長変換素子の間に偏光回転素子を挿入して基本波レーザビームの偏光方向を回転してもよい。
【００４４】
実施の形態７．
図７は本発明の実施の形態７による波長変換レーザ装置を示す構成図であり、図において、1、1a、1b、1cは基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ等の入射基本波レーザビーム集光素子、3、3a、3bは波長変換素子、4、4a、4bは波長変換レーザビームと残留基本波レーザビームの合成ビーム、5、5a、5bはビームスプリッタ、6、6a、6bは波長変換レーザビーム、10、10a、10bは波長変換レーザビーム6、6a、6bのプロファイル、11は基本波入射レーザビーム1のプロファイルである。12は波長変換レーザビーム6、6a、6bのプロファイル10、10a、10bを重ねて描いたものである。
【００４５】
入射基本波レーザビーム1が、集光素子2、2a、2bによって繰り返し集光され、波長変換素子3、3a、3bにおいて繰り返し波長変換され、ビームスプリッタ5、5a、5bによって波長変換レーザビームが取り出されるのは、実施の形態１と同じであるが、本実施の形態においては、波長変換素子3、3a、3bは、例えば入射ビームの光軸に対して互いに異なった角度で傾けることにより、基本波レーザビーム1,1a,1bがそれぞれ異なった角度で入射するように設定されており、入射基本波レーザビームのプロファイル11のうち、波長変換されない部分を減らすよう、また、波長変換レーザビーム6,6a,6bのプロファイル10,10a,10bが、できるだけ基本波入射レーザビームのプロファイル11全体を網羅するように配置されている。
【００４６】
そのため、波長変換レーザビーム6のプロファイルは、10のような位置を占めるのに対し、波長変換レーザビーム6a、6bのプロファイルは、基本波入射レーザビームプロファイル11に対し、10a、10bのような位置を占める。そのため、取り出された波長変換レーザビームを1本のビームにまとめた場合、まとめられた波長変換レーザビームのプロファイルは、基本波入射レーザビームのプロファイル11に対し、12のような位置を占めることになり、波長変換素子3,3a,3bを傾けないで配置した場合に比べて、より多くの部分を占めることができる。また、波長変換効率を大きくすることができる。
【００４７】
なお、図７では波長変換素子を３個用いた場合についてしるしたが、波長変換素子の個数は３個に限るものではなく、２個でも４個以上でもよい。
【００４８】
図８は、図７に示した実施の形態の波長変換ビームプロファイルを得るための、波長変換素子の位置と角度について詳細に説明したものである。図において、1は入射基本波レーザビーム、2、2a、2bは集光レンズ、3、3a、3b、3c、3dは各配置における波長変換素子とその配置に対応して入射基本波レーザビームの発散角のどの部分が波長変換されるかを模式的に示したもの、8、8aは基本入射レーザビームの集光点の位置、10、10a、10bは波長変換レーザビームのプロファイルを模式的に示したもの、11は基本波入射レーザビーム1のプロファイルを模式的に示したものである。
【００４９】
波長変換素子3、3cのように集光位置8,8aより前に波長変換素子を配置した場合、基本波レーザビームの光軸に対して波長変換素子3のように傾けると10のようなプロファイルが得られ、基本波レーザビームの光軸に対して波長変換素子3cのように傾けると10bのようなプロファイルが得られる。
【００５０】
また、波長変換素子3b、3dのように集光位置より後ろに波長変換素子を配置した場合、基本波レーザビームの光軸に対して波長変換素子3bのように傾けると10bのようなプロファイルが得られ、基本波レーザビームの光軸に対して波長変換素子3dのように傾けると10のようなプロファイルが得られる。
【００５１】
また、波長変換素子がどの位置に配置されていても、波長変換素子3aのように基本波レーザビームの光軸に対して傾けずに配置されていれば10aのようなプロファイルが得られる。
【００５２】
このような波長変換素子の配置において、例えば波長変換素子3、3a、3bの３配置や、3c,3a,3dの３配置、3,3c,3bの３配置のように、波長変換素子位置を集光点前に少なくとも1箇所、集光点より後部に少なくとも1箇所選び、集光点より前の位置に配置された波長変換素子と集光点より後ろの位置に配置された波長変換素子のうち、少なくとも1つずつを、基本波レーザビームの光軸に対して同じ方向に傾けて配置することによって、波長変換レーザビームのプロファイルを位相整合許容角が狭いことによって生じる欠損の少ないものとし、波長変換効率を向上させることができる。
【００５３】
また、例えば波長変換素子3、3a、3cの３配置や3、3b、3cの３配置のように、波長変換素子位置を集光点前に少なくとも2箇所選び、集光点より前の位置の波長変換素子の基本波レーザビームの光軸に対して傾ける方向のうち、すくなくとも2つの波長変換素子の基本波レーザビームの光軸に対して傾ける方向を逆方向とすることによって、波長変換レーザビームのプロファイルを欠損の少ないものとし、波長変換効率を向上させることができる。
【００５４】
また、例えば波長変換素子3、3b、3dの３配置のように、波長変換素子位置を集光点の後ろに少なくとも２箇所選び、集光点より後ろの位置に配置された波長変換素子のうち少なくとも２つの波長変換素子の基本波レーザビームの光軸に対して傾ける方向を逆とすることによって、波長変換レーザビームのプロファイルの欠損を少ないものとし、波長変換効率を向上させることができる。
【００５５】
また、上記の実施の形態において、波長変換素子3aのようにレーザビームの最も良く集光されている部分であるウエストを含む位置に波長変換素子を配置してもよいし、波長変換素子3、3b、3c、3dのようにウエストを含まない位置に配置してもよい。
【００５６】
また、上記の実施の形態においては、３配置の場合について示したが、波長変換素子3,3bの組み合わせ、波長変換素子3c,3dの組み合わせ、波長変換素子3b,3dの組み合わせ、波長変換素子3,3cの組み合わせのように得られる波長変換レーザビームに重なりの無い、または重なりがあっても重なる部分の小さいプロファイルが得られる波長変換素子配置を２つ選んでもよいし、４つ以上選んでもよい。
【００５７】
また、図７には波長変換素子の位相整合許容角が１方向について狭い場合について示したが、かならずしもこれに限るものではなく、異方性がなくてもよいし、位相整合許容角が２つ以上の方向について狭くてもよい。
【００５８】
また、波長変換素子として、例えば第２高調波発生結晶のような波長変換結晶を用いる場合、端面に対して、入射光が垂直に入射した場合に位相整合がとれるように結晶がカットされていてもよいし、他のカットの仕方であってもよい。
【００５９】
本発明の第１の構成に係る波長変換レーザ装置は、レーザビームを非線形素子からなる波長変換素子により波長変換して入射基本波レーザビームと波長の異なる波長変換レーザビームを取り出す波長変換レーザ装置において、前記入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームの集光径を順次に小さく収束させる複数の集光手段とを備えたものである。
【００６０】
本発明の第１の構成によれば、前記複数の集光手段による基本波レーザビームの集光径を順次に小さくしたので、基本波入射レーザビーム強度が、波長変換素子による波長変換や光学素子通過による透過ロス等によって波長変換素子通過ごとに減衰していく場合でも、基本波入射レーザビームパワー密度の低下を小さくすることができ、波長変換効率を高めることができる。
【００６１】
本発明の第２の構成に係る波長変換レーザ装置は、入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームを集光する集光手段と、前記複数の波長変換素子の間に複数の偏光回転素子とを備え、前記偏光回転素子は前記波長変換素子毎に異なる偏光方向の前記入射基本波レーザビームを入射させるとともに、前記波長変換素子は前記偏光方向に対応して光軸を中心として回転して配置されたものである。
【００６２】
本発明の第２の構成によれば、前記複数の波長変換素子の間に偏光回転素子を備え、偏光回転素子は各波長変換素子毎に異なる偏光方向の基本波レーザビームを入射させるとともに、各波長変換素子は前記偏光方向に対応して光軸を中心として回転して配置されたので、波長変換素子の位相整合許容角に異方性があり、狭い方向の位相整合許容角が入射基本波レーザビームの波長変換素子位置における発散角より小さい場合等でも、複数の波長変換素子への入射基本波レーザビームの偏光方向を変化させ、位相整合許容角の狭い方向を波長変換素子ごとに変化させることができ、結果として、波長変換装置全体の波長変換効率を高めることができるだけでなく、得られた複数の波長変換レーザビームを1本にまとめた場合には、まとめられた波長変換レーザビームのプロファイルが入射基本波レーザビームのプロファイルに対して欠損の少ないものとすることができる。
【００６３】
本発明の第３の構成に係る波長変換レーザ装置は、入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームを集光する集光手段とを備え、前記複数の波長変換素子のいずれかの波長変換素子は、該波長変換素子により得られる波長変換レーザビームのプロファイルが他の波長変換素子により得られる波長変換レーザビームのプロファイルと異なるように前記入射基本波レーザビームの光軸に対して傾けられたものである。
【００６４】
本発明の第３の構成によれば、レーザビームを非線形素子からなる波長変換素子により波長変換して入射基本波レーザビームと波長の異なる波長変換レーザビームを取り出す波長変換レーザ装置において、入射基本波レーザビームの経路に順次配置された複数の波長変換素子と、前記複数の波長変換素子を通過する前記入射基本波レーザビームを集光する集光手段とを備え、前記複数の波長変換素子のいずれかの波長変換素子は、該波長変換素子により得られる波長変換レーザビームのプロファイルが、他の波長変換素子により得られる波長変換レーザビームのプロファイルと異なるように前記入射基本波レーザビームの光軸に対して傾けられたので、波長変換素子の位相整合許容角が入射基本波レーザビームの波長変換素子位置における発散角より小さい場合等でも、基本波入射レーザビームの異なる成分を波長変換することができ、結果として、得られた複数の波長変換レーザビームを１本の波長変換レーザビームにまとめた場合のプロファイルを基本波入射レーザビームのプロファイルに対して欠損の少ないものとすることができる。また、波長変換効率を向上させることができる。
【００６５】
本発明の第４の構成に係る波長変換レーザ装置は、前記複数の波長変換素子で波長変換された前記入射基本波レーザビームの経路を変更する複数のビームスプリッタを備えたものである。
【００６６】
本発明の第４の構成によれば、複数の波長変換素子で波長変換された入射基本波レーザビームの経路を変更する複数のビームスプリッタを備え、ビームスプリッタにより波長変換レーザビームと入射基本波レーザビームに分離されるので、一個の波長変換素子で発生した波長変換レーザビームが他の波長変換素子を通過する量を減らすことができ、波長変換素子の色付きやダメージといった劣化を防ぐことができ、結果としてダメージ閾値が上がることにより、より強度の高い基本波入射レーザビームを入射することができ、より高出力の波長変換レーザビームを発生させることができる。また、他の波長変換素子を通過する際の透過ロスによる波長変換レーザビームの減衰を避けることができる。
【００６７】
本発明の第５の構成に係る波長変換レーザ装置は、前記集光手段として反射光学素子を用いたものである。
【００６８】
本発明の第５の構成によれば、前記集光手段として反射光学素子を用いたので、ビームの導光系の光学素子と集光素子を兼ねることができる。また、レンズ等の透過光学素子を用いた場合に対して、透過ロスがないため、損失の少ない伝送が可能である。また、透過ビームの吸収に起因する熱歪がないため、レンズ等の透過光学素子を用いた場合より高出力のビームの集光にも用いることができる。
【００６９】
本発明の第６の構成に係る波長変換レーザ装置は、前記複数の波長変換素子から発生したそれぞれの波長変換レーザビームを別々に取り出すものである。
【００７０】
本発明の第６の構成によれば、前記複数の波長変換素子から発生したそれぞれの波長変換レーザビームを別々に取り出すので、一個の波長変換素子で発生した波長変換レーザビームが他の波長変換素子を通過する量を減らすことができ、波長変換素子の色付きやダメージといった劣化を防ぐことができ、結果としてダメージ閾値が上がることにより、より強度の高い基本波入射レーザビームを入射させることができ、より高出力の波長変換レーザビームを発生させることができる。また、他の波長変換素子を通過する際の透過ロスによる波長変換レーザビームの減衰を避けることができる。また、残留基本波入射レーザビームのみに対して、偏光方向を回転する等の操作を施して、他の波長変換素子に入射させることができる。
【００７１】
本発明の第７の構成に係る波長変換レーザ装置は、前記複数の波長変換素子から発生したそれぞれの波長変換レーザビームをそれぞれ光ファイバーバンドルまたは結合器を取り付けた光ファイバーに入射させて結合させるように構成したものである。
【００７２】
本発明の第７の構成によれば、前記複数の波長変換素子から発生したそれぞれの波長変換レーザビームをそれぞれ光ファイバーバンドルまたは結合器を取り付けた光ファイバーに入射させて結合させるように構成したので、発生した複数の波長変換レーザビームを結合して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態５による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態６による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態７による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態７に係わり波長変換素子の位置と角度について説明する説明図である。
【図９】本発明の従来例１による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【図１０】本発明の従来例２による波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００７４】
1,1a,1b,1c  基本波レーザビーム、2,2a,2b  集光素子、3,3a,3b,3c  波長変換素子、4,4a,4b  波長変換レーザビームと基本波レーザビーム、5,5a,5b  ビームスプリッタ、6,6a,6b  波長変換レーザビーム、7  光ファイバー、8,8a,8b  ビーム集光位置を示す線、9,9a,9b  偏光回転素子、10,10a,10b  波長変換レーザビームのプロファイルの模式図、11  基本波入射レーザビームのプロファイルの模式図、12  複数の波長変換素子から発生した波長変換レーザビームを1本にまとめたプロファイルの模式図、13  ビーム結合ポーラライザ、14、14a、14b  反射集光素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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